Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology hebben aangetoond dat koperoxidedeeltjes op sub-nanoschaal krachtigere katalysatoren zijn dan die op nanoschaal.Deze subnanodeeltjes kunnen ook de oxidatiereacties van aromatische koolwaterstoffen veel effectiever katalyseren dan de katalysatoren die momenteel in de industrie worden gebruikt.Deze studie baant de weg voor een beter en efficiënter gebruik van aromatische koolwaterstoffen, belangrijke materialen voor zowel onderzoek als de industrie.

De selectieve oxidatie van koolwaterstoffen is belangrijk bij veel chemische reacties en industriële processen, en daarom zijn wetenschappers op zoek geweest naar efficiëntere manieren om deze oxidatie uit te voeren.Koperoxide (CunOx) nanodeeltjes zijn nuttig gebleken als katalysator voor de verwerking van aromatische koolwaterstoffen, maar de zoektocht naar nog effectievere verbindingen is voortgezet.

In het recente verleden hebben wetenschappers op edelmetalen gebaseerde katalysatoren toegepast, bestaande uit deeltjes op sub-nanoniveau.Op dit niveau meten deeltjes minder dan een nanometer en wanneer ze op geschikte substraten worden geplaatst, kunnen ze zelfs een groter oppervlak bieden dan nanodeeltjeskatalysatoren om de reactiviteit te bevorderen.

In deze trend onderzocht een team van wetenschappers, waaronder prof. Kimihisa Yamamoto en dr. Makoto Tanabe van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), chemische reacties gekatalyseerd door CunOx-subnanodeeltjes (SNP's) om hun prestaties bij de oxidatie van aromatische koolwaterstoffen te evalueren.CunOx SNP's van drie specifieke groottes (met 12, 28 en 60 koperatomen) werden geproduceerd binnen boomachtige raamwerken die dendrimeren worden genoemd.Gesteund op een zirkoniumoxidesubstraat werden ze toegepast op de aërobe oxidatie van een organische verbinding met een aromatische benzeenring.

Röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) en infraroodspectroscopie (IR) werden gebruikt om de structuren van de gesynthetiseerde SNP's te analyseren, en de resultaten werden ondersteund door berekeningen van de dichtheidsfunctionaliteitstheorie (DFT).

De XPS-analyse en DFT-berekeningen onthulden een toenemende ioniciteit van de koper-zuurstof (Cu-O) bindingen naarmate de SNP-grootte afnam.Deze bindingspolarisatie was groter dan die waargenomen bij bulk Cu-O-bindingen, en de grotere polarisatie was de oorzaak van de verbeterde katalytische activiteit van de CunOx SNP's.

Tanabe en de teamleden merkten op dat de CunOx SNP's de oxidatie van de CH3-groepen die aan de aromatische ring vastzaten, versnelden, wat leidde tot de vorming van producten.Wanneer de CunOx SNP-katalysator niet werd gebruikt, werden er geen producten gevormd.De katalysator met de kleinste CunOx SNP's, Cu12Ox, had de beste katalytische prestaties en bleek de langste levensduur te hebben.

Zoals Tanabe uitlegt: “de verbetering van de ioniciteit van de Cu-O-bindingen met een afname van de omvang van de CunOx SNP’s maakt hun betere katalytische activiteit voor aromatische koolwaterstofoxidaties mogelijk.”

Hun onderzoek ondersteunt de bewering dat er een groot potentieel is voor het gebruik van koperoxide-SNP's als katalysatoren in industriële toepassingen.“De katalytische prestaties en het mechanisme van deze op grootte gecontroleerde gesynthetiseerde CunOx SNP’s zouden beter zijn dan die van edelmetaalkatalysatoren, die momenteel het meest in de industrie worden gebruikt”, zegt Yamamoto, verwijzend naar wat CunOx SNP’s in de toekomst kunnen bereiken.

Materialen geleverd door Tokyo Institute of Technology.Opmerking: de inhoud kan qua stijl en lengte worden aangepast.

Ontvang het laatste wetenschappelijke nieuws met de gratis e-mailnieuwsbrieven van ScienceDaily, die dagelijks en wekelijks worden bijgewerkt.Of bekijk elk uur bijgewerkte nieuwsfeeds in uw RSS-lezer:

Vertel ons wat u van ScienceDaily vindt – we verwelkomen zowel positieve als negatieve reacties.Heeft u problemen bij het gebruik van de site?Vragen?